苏丹3/7区GUMRY FPF站管道支架设计

何涛张晗

（中石化江汉石油工程设计有限公司，湖北 武汉430223）

管道支架 (简称为管架)是石油、化工、冶金和火力发电等行业的一种重要特种结构，它主要功能是支撑架空管道。在一个大型装置或者站场中，管道支架的数量大、分布广，计算复杂，设计工作量也较大。管道支架设计不当，会使管道组成件在运行中损坏，如设备管口法兰,或使转动设备受损，更严重的会使管网结构受到破坏，导致运行设备被迫停车。因此，管道支架的设计越来越受到重视。

1 工程概况

集油站(Field Production Facilities)是油田生产的重要组成部分，通常情况下计量站(Oil Gathering Manifold)的混合液和天然气都首先输送到集油站，经集油站处理后再输送到联合站 (Central Production Facilities)。集油站担负着油、气、水的三相分离，原油加热、输送和油、气计量等工作。随着油田产液量的不断增加，原油含水的持续上升，集油站的作用也日益重要起来。

Gumry油田是苏丹3/7区原油开发项目的一部分，包括三个油区Gumay,Geradon和 Zarzor，共55口油井。根据业主的扩建和发展计划，Gumry FPF设计日处理原油5万桶，通过处理，原油的含水率降低至10%。处理后的原油通过一条长45km的输油管线输送到已建成的Palouge FPF。两个FPF站的原油混合后再输送到Al Jabalayn CPF。

2 结构选型

根据设计合同（Invitation To Bid）要求，管道支架采用钢结构。苏丹3／7区场地土为膨胀土，由于工程的重要性，根据业主规格书（Specification）及相关规范要求，管架基础采用钢管桩基础。

为了减少钢材用量和支架的侧向位移以及变形，管道支架采用带支撑的刚接钢结构，整个管架结构的受力体系为：横向荷载通过水平支撑体系传给垂直支撑体系最后传给基础，竖向荷载通过水平梁传给柱及垂直支撑体系再传给基础。

3 结构设计

3.1 结构布置

由于整个结构长度太长，选取一段典型管架进行结构分析。该段管架具体布置为：宽度6m，柱距为6m，总长48m。高度方向分为四层，标高分别为 3.0m，4.8m，6.6m 和 7.6m，其中第一（3.0m）、第二层（4.8m）为管道层，第三层（6.6m）、第四层（7.6m）为电缆槽层。 管架构件截面采用英国标准[1]BS4-1993，柱截面选用UC254×73；纵梁截面选用UC203×46；横梁截面管道层选用 UB305×165×54，电缆槽层选用UB254×146×31；支撑截面选用 T146×127×19。 如图 1、图 2 所示：

图1 管架正视图

图2 管架侧视图

3.2 结构分析

选用STAAD.Pro结构分析软件对该管架结构进行分析，建立好的模型如图3所示：

图3 建立好的管架结构模型

3.2.1 荷载

管道支架承受的荷载有恒荷载(D)、活荷载（L）、风荷载（W）和地震荷载（S）。

（1）恒荷载(D)包括：

结构自重(G)；

管道自重——包括空管自重(EEL)，注水试压管道自重(ETL)，运行管道自重(EOL)；

电缆槽自重 1.2kN/m2；

预留未来管道自重2.0kN/m2；

（2）活荷载(L)包括：

管道与支架之间的摩擦FX（X方向）；

管道与支架之间的摩擦FZ（Z方向）；

工艺专业提供的荷载PF；

（3）风荷载(W)：

该地区基本风速为37.5m/s，场地条件系数为1.0，地面粗糙度为0.95，重要性系数为 1.0，根据美国荷载规范[2]ASCE7-02,计算其设计风压为：37.5×1.0×0.95×1.0×0.0.613=0.778kN/m2。 最后根据结构的迎风面面积，将风压转换为压力并乘以荷载组合系数施加在各构件上，定义沿X方向上的风压为WLX,沿Z方向上的风压为WLZ。

（4）地震荷载(S)：

地震荷载可由程序自动生成，根据UBC-1997规范[3]设定相应的场地条件参数，定义沿X方向上的地震荷载为SLX，沿Z方向上的地震荷载为SLZ。

3.2.2 荷载组合

由于工艺的荷载工况很多，导致荷载组合的结果也很多。由于注水试压时管道自重最大，选其为最不利工况，根据ASCE7-02规范，最终考虑如下荷载组合：

1.4(G+ETL+3.2)+1.2FX+1.2FZ+1.2PF

1.2(G+ETL+3.2)+1.2PF+1.3WLX

1.2(G+ETL+3.2)+1.2PF+SLZ

1.2(G+ETL+3.2)+1.2PF+SLX

1.2(G+ETL+3.2)+1.2PF+1.3WLZ

0.9(G+ETL+3.2)+1.3WLX

0.9(G+ETL+3.2)+1.3WLZ

0.9(G+ETL+3.2)+SLX

0.9(G+ETL+3.2)+SLZ

3.2.3 边界条件

整个结构体系按如下条件约束：框架梁柱为刚接，主梁与次梁的连接为简支，柱与基础为简支，支撑与梁柱也采用简支连接。

3.2.4 结果分析

将荷载组合输入计算模型，并对其按上述边界条件进行约束，计算结果如表1所示：

表1 计算结果

从计算结果知：大多数杆件的应力比（设计应力与容许应力之比）在 0.5～1.0 之间。

通过STAAD.Pro程序的后处理分析得知：柱的最大变形为7.2mm，小于其容许挠度7.6m/200=0.038m，如图4所示。

图4 柱的位移图

4 结语

本文以苏丹GUMRY FPF站场管道支架设计为例，通过利用STAAD.Pro程序进行空间模拟分析计算。研究表明，本工程管道支架结构布置合理，杆件选材准确，各项计算结果均满足规范要求。

［1］ASCE 7-02 Minimum Design Loads for Buildings and Other Structure[Z].

［2］UBC 1997 Uniform Building Code 1997-Volume 2[Z].

［3］施振球,赵廷元,等.动力管道手册[M].北京:机械工业出版社,1994.